中国作物生产面积广阔,秸秆量大,每年焚烧和闲置的秸秆造成了严重的环境污染和巨大的经济损失。近年来,秸秆还田技术的应用很大程度上缓解了秸秆焚烧的问题,促进了我国农业的可持续发展。当前,秸秆还田机已在生产上广泛应用,但水田秸秆还田作业仍然存在机械化水平低、功耗高、作业质量差及其作业机理不明确等问题。本文针对当前水田秸秆还田机存在的问题,深入分析了水田秸秆还田刀辊、土壤和秸秆之间相互作用过程。采用有限元法（Finite Element Method,FEM）和离散元法（Decrete Element Method,DEM）联合仿真方法,建立了刀辊-麦秆-土壤多相耦合仿真模型,开展了水田秸秆还田刀辊四因素三水平正交试验,对仿真试验结果进行了回归分析,并通过土槽试验对仿真试验结果进行了验证。本文主要研究内容和结果如下:（1）小麦秸秆生物力学特性研究。测定了不同横截面积和不同含水率的小麦秸秆剪切应力-位移曲线和拉伸强度-应变曲线,得到了不同秸秆横截面积和不同含水率的小麦秸秆剪切强度、拉伸强度和拉伸模量。开展了小麦秸秆切片试验,结果表明,厚壁组织厚度占比对小麦秸秆拉伸模量有显著影响。开展不同含水率的土壤泥浆流变特性试验,分析了不同含水率的土壤泥浆流变特性,得到25%、30%、35%和40%含水率的土壤泥浆粘稠度分别为2724.79Pa·s、1448.39Pa·s、518.26Pa·s和35.89Pa·s。（2）秸秆还田刀辊动力学分析。分析了刀辊工作阻力与其工作参数的关系,建立作业过程秸秆还田刀辊运动学模型;对秸秆还田刀辊整体功耗进行了分析,建立了旋耕刀受力模型,并确定选择旋耕转速、刀具弯折角、土壤粘稠度和旋耕深度为数值模拟试验影响因素。（3）秸秆还田刀辊作业性能仿真分析与优化。采用FEM和DEM联合仿真的方法,建立了刀辊-麦秆-土壤多相耦合仿真模型,进行秸秆还田刀辊参数优化分析。进行了四因素三水平正交仿真试验。并对试验数据进行极差分析、方差分析和回归分析,获得秸秆还田刀辊最优参数组合:旋耕转速为280.39m/s、旋耕深度为15cm、弯折角为70°、土壤粘稠度为30Pa·s,此时刀辊扭矩为11.47N·m,土壤扰动率为73.21%,秸秆埋覆率为81.18%。（4）秸秆还田刀辊作业性能土槽验证试验。根据最优参数组合进行土槽试验,测试土槽试验刀辊扭矩、地表平整度、碎土率和秸秆埋覆率。结果表明:土槽试验平均扭矩与仿真试验误差为4.65%;土槽试验秸秆埋覆率与仿真实验误差为5.49%,即仿真与土槽试验结果基本一致,验证了多相耦合仿真模型的准确性。